半导体专题之NAND Flash芯片知识详解

只读存储器（ROM）是只能读取实现存储的信息的存储器。断电后所存数据不会丢失，根据可编程、可抹除功能，ROM可分为PROM、EPROM、OTPROM、EEPROM和Flash等。Flash是当前主流的存储器，具备电子可擦除可编程的性能，能够快速读取数据而且断电时不会丢失数据，往往与DRAM搭配使用。Flash可进一步细分为NAND Flash和NOR Flash。NAND Flash是只读存储器中的主流。

一、NAND的演变：从2D NAND向3D NAND

（一）NAND分类：NAND Flash、NOR Flash

NAND Flash：写入和擦除的速度快，存储密度高，容量大，但不能直接运行NAND Flash上的代码，适用于高容量数据的存储。

NOR Flash：优势是芯片内执行——无需系统RAM就可直接运行NOR Flash里面的代码，容量较小，一般为1Mb-2Gb。

（二）发展趋势：高密度存储、3D堆叠

1、3D NAND发展仅十余年，主流厂商快速扩张中

3D NAND于2014年开始商业化量产，主流厂商基本实现产品转换。2007年，东芝最早推出BiCS类型的3D NAND。2013年三星推出第一代V-NAND类型的3D NAND。2014 年，SanDisk 和东芝宣布推出3D NAND生产设备，三星率先发售32层MLC 3D V-NAND，至此3D NAND市场开始快速扩张。

3D NAND存储单元向TLC、QLC等高密度存储演进。NAND Flash根据存储单元密度可分为SLC、MLC、TLC、QLC等，对应 1 个存储单元分别可存放1、2、3 和 4bit的数据。存储单元密度越大，寿命越短、速度越慢，但容量越大、成本越低。目前NAND Flash以TLC为主，QLC比重在逐步提高。

半导体存储器发展已有55年，其中DRAM发展已有55年，Flash发展已有40年，由于2DNAND和3DNAND技术差别巨大，实际上3DNAND发展历史仅仅十余年，技术成熟度远不如DRAM。

2、3D NAND技术的优点

（1）3D堆叠大幅提升容量，相同单元密度下寿命较2D结构延长

3D NAND是一项革命性的新技术，首先重新构建了存储单元的结构，并将存储单元堆叠起来。3D NAND带来的变化有：（1）总体容量大幅提升；（2）单位面积容量提高。对于特定容量的芯片，3D NAND所需制程比2D NAND要低得多（更大线宽），因而可以有效抑制干扰，保存更多的电量，稳定性增强，例如同为TLC的3D NAND寿命较2D NAND延长。

（2）工艺制程演进相对缓慢，3D堆叠层数增长迅速

从2014年到2020年，各家厂商3DNAND堆叠层数从32层增长至128层，大致3年层数翻一倍，而工艺制程在2DNAND时期就达到19nm，转换成3DNAND工艺制程倒退至20-40nm，而后又逐步往更高制程演进，制程演进相对逻辑芯片较慢。从制程上看，主流厂商的3D NAND芯片使用20-19nm的制程，从技术上看，20nm左右的制程最适合3D NAND，制程节点小了之后，每个存储单元能容纳的电子数量就会变少，发展到一定阶段之后，闪存就很容易因为电子流失而丢失其中保存的数据。

2022年，美光技术与产品执行副总裁ScottDeBoer与高管团队宣布美光下一代232层NAND闪存将于2022年底前实现量产。2023年三星电子宣布计划在明年生产第9代V-NAND闪存，这款闪存将采用双层堆栈架构，并超过300层。今年8月，SK海力士表示将进一步完善321层NAND闪存，并计划于2025年上半期开始量产。

堆叠层数仍有较大提升空间。按照SK海力士的预测，3DNAND在发展到层数超过600层的阶段时才会遇到瓶颈，目前市场上主流产品低于200层，未来技术升级空间较大。

主流厂商基本实现从2D NAND到3D NAND的产品转换，三星电子领先1-2年。从2014年3D NAND量产开始，到2018年主要NAND厂商基本完成从2D到3D的产品转换。2018年NAND Flash厂商三星电子、东芝/西部数据、美光、英特尔等原厂的3D NAND生产比重己超过80%，美光甚至达到90%。目前，各家厂家已实现128层（铠侠和西部数据是112层）的量产，176层正成为主流，2XX层以上的研发和量产正在推进，其中三星研发进度最为领先，比其他厂商领先1-2年。

二、NAND Flash下游及推动力

NAND Flash 下游市场中，计算、无线通讯、消费和工业分别占 54.8%、34.1%、6.1%、2.6%。

根据招商证券测算，AI 服务器相较普通/高性能服务器对 NAND 容量大约有 2-4 倍的拉动。

由于机械硬盘持续进行成本优化，普通服务器依然会配备较多的机械硬盘，而高性能服务器和AI服务器对于存储速度、准确性等提出更高要求，因此主要配备固态硬盘。

从容量上看，传统服务器NP5570M5最多支持16块2.5英寸SAS硬盘或4块3.5英寸SATA硬盘，SAS硬盘支持300GB/600GB/1TB/1.2TB/1.8TB/2.4TB容量，SATA硬盘支持1/2/4/6/8TB容量，按照中间容量测算，系统硬盘容量大约共8-16TB；高性能NF5280M6型号最大支持20块3.5英寸硬盘，系统硬盘容量大约20TB；AI服务器采用的硬盘容量大约30TB，相较传统服务器NAND容量提升大约2-4倍。

进一步推算：

1）基础型服务器：根据IDC，基础型服务器中CPU、内存和硬盘的占比最高，根据英特尔，典型的x86服务器—E5高配服务器的成本中硬盘、CPU和内存成本占比分别为31%、28%和21%。例如浪潮NF5270M5售价大约39000元，采用2颗XeonSilver4214CPU，每颗售价大约1000美金，CPU成本占比大约32%；配置16个32GBDDR4，按单GB成本3美金计算，DRAM成本占比大约26%；最大支持25块2.5英寸硬盘，按照每块硬盘512GB、1TBSATA40美元计算，硬盘总价值量占比大约20%；

2）AI服务器：以英伟达DGXA100系统为例，售价大约19.5万美金，含有2颗AMDRome7742，每颗售价大约7000美金，价值量占比大约7%；含有8颗A100GPU，每颗GPU售价大约1-1.5万美元，GPU价值量占比大约40-50%；CPU采用2TB的DDR4，价值量占比大约3-4%；GPU配置共640GBHBM2E，假设单GB价值量15-20美金，价值量占比大约5-8%；操作系统配备2块1.9TBSSD，内部配备8块3.84TBSSD，按照1块1.92TB数据中心SSD650美元、1块3.84TB数据中心SSD1200美元测算，硬盘价值占比大约6%。